材料燃燒特性和煙氣分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)二 材料燃燒特性和煙氣分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 利用錐形量熱儀測量材料燃燒時(shí)的熱釋放速率，掌握錐形量熱計(jì)的基本使用方法，了解炭化材料和非炭化材料燃燒過程中的熱釋放速率規(guī)律，了解熱釋放速率與外界施加的熱流之間的關(guān)系。(2) 利用煙氣分析儀對材料燃燒產(chǎn)物中氣體產(chǎn)物的組成和濃度、煙和煙密度、氣體產(chǎn)物的毒性等進(jìn)行分析，掌握煙氣分析儀的基本使用方法。(3) 通過綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析所選材料的燃燒特性。2 實(shí)驗(yàn)原理2.1 錐形量熱儀及其實(shí)驗(yàn)原理1993年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)正式出版了一個(gè)利用錐形量熱儀測試材料的標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660。至今，錐形量熱儀已成為火災(zāi)科學(xué)研究領(lǐng)域最為重要的小比例測試儀

2、器，可用來研究材料的熱釋放速率(Heatrelease rate)、點(diǎn)燃時(shí)間(Time to ignition)、煙密度(Smoke ratio)、質(zhì)量損失速率(Mass loss rate)、一氧化碳(Carbonmonoxide yield)產(chǎn)率等燃燒特性。如下圖所示，錐形量熱儀由以下幾部分組成：注：凡圖中標(biāo)有*記號的尺寸均為關(guān)鍵性尺寸，并且公差應(yīng)為1mm。其他尺寸均為推薦尺寸，應(yīng)盡量采用。1電機(jī)；2風(fēng)機(jī)；3孔板（孔徑57mm）；4導(dǎo)壓管；5熱電偶；6環(huán)形取樣器；7排氣管道（內(nèi)徑114mm）；8孔板（孔徑57mm）；9集煙罩；10試樣；11輻射錐圖1 錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(1) 錐形加

3、熱器：一個(gè)截取掉頂端的圓錐形加熱器，額定電壓為240 V，額定功率5000 W，且能在水平和垂直方向上產(chǎn)生100 KW/m2的熱流。(2) 樣品夾持器：能沿水品和垂直方向，承載長、寬、高為100 mm100 mm50 mm的試件。(3) 荷載池：用于測量樣品的質(zhì)量，其精確度為0.1 g，量程為3.5 kg。載荷池應(yīng)當(dāng)封閉，以免因溫度變化對它產(chǎn)生影響。(4) 點(diǎn)火器：帶有安全熔斷裝置的10 KV電子點(diǎn)火器。(5) 排氣系統(tǒng)：由不銹鋼材制成。它包括一個(gè)護(hù)罩、祁陽環(huán)形探頭、排氣扇和孔板式流量測試系統(tǒng)。(6) 氣體樣品采集：包括環(huán)形采樣器、冷凝管、泵、氣體干燥管和流量控制部分。(7) 氧氣分析器：順磁

4、性氧氣分析器，它可分析氧氣的濃度范圍為0%25%，該分析儀器的精度大于5010-6。(8) 煙密度測試體系：用于測試試樣過程中排氣管中煙氣的光密度。(9) 熱流劑：用于錐形加熱器向試件表面輻射的熱流量。(10) 校正燃燒器：它用純度99.5%的甲烷氣體來校正由設(shè)備測得的熱釋放速率。1熱電偶；2外錐殼；3內(nèi)錐殼；4電熱管；5低密度陶瓷纖維；6頂板；7底板；8支柱；9錐鉸接固定架（可調(diào)節(jié)錐的高度）圖 1.2 輻射錐1風(fēng)機(jī)；2孔板（孔徑57mm）；3導(dǎo)壓管；4熱電偶；5環(huán)形取樣器（進(jìn)氣孔朝向風(fēng)機(jī)）；6孔板（孔徑57mm）圖 1.3 排氣系統(tǒng)示意圖錐形量熱儀采用耗氧量原理測量材料的熱釋放速率。所謂耗氧

5、量原理就是材料燃燒時(shí)消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本上是一樣的。Huggett在1980年發(fā)表文章，指出建筑業(yè)和商業(yè)中普遍使用的大多數(shù)塑料和其他固體材料都遵循這個(gè)規(guī)律，并測出這個(gè)值為13.1 MJ/kg的O2。實(shí)驗(yàn)過程中將材料燃燒的所有產(chǎn)物收集起來并經(jīng)過一個(gè)排氣管道。氣體經(jīng)過充分混合后，測出其質(zhì)量流量和組分。測量時(shí)，至少要O2的體積分?jǐn)?shù)測出來，要得到更精確的結(jié)果還要測出CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)。這樣通過計(jì)算可得到燃燒過程中消耗的氧氣質(zhì)量，運(yùn)用耗氧量原理，就可以得到材料燃燒過程中的熱釋放速率。圖3.4 錐形量熱儀氣體取樣流程2.2 煙氣分析儀及其實(shí)驗(yàn)原理WJ-60B煙氣分析儀，該機(jī)采用進(jìn)口定電位

6、電解傳感器監(jiān)測污染源中的有害氣體，并利用高精度進(jìn)口差壓傳感器測量管道風(fēng)速、鉑電阻測量煙氣的溫度、濕度傳感器測量污染源的含濕量、輸入煙道截面自動計(jì)算污染物的排放量。主要特點(diǎn)：(1) 主機(jī)(可獨(dú)立工作亦可在手操器控制下工作)內(nèi)置七個(gè)傳感器插位，可同時(shí)分析O2、CO、NO、NO2、SO2等。內(nèi)置汽水分離裝置，可有效去除煙氣中的水分和顆粒物，確保污染物的測量精度。開機(jī)儀器自檢、空氣標(biāo)定傳感器零點(diǎn)、測量后傳感器自動清洗。(2) 手操器采用嵌入式計(jì)算機(jī)控制主板，背光觸摸屏實(shí)時(shí)控制，可顯示各種污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線圖?？芍苯语@示O2、CO、NO、NO2、SO2、溫度、壓力等測量參數(shù)；計(jì)算CO2、NOx、燃燒效率

7、、損失等。(3) 探針探針采用耐腐蝕的不銹鋼材料，標(biāo)準(zhǔn)配置800mm。長度可選。溫度探針采用鉑電阻，測量范圍寬、線性好、精度高。含濕量傳感器可測量煙氣濕度。3 實(shí)驗(yàn)程序(1) 選取、制備至少三種材料，每種材料應(yīng)有3個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。尺寸為100 mm100 mm的正方形，用單層鋁箔包住試樣底面和側(cè)面，將其放進(jìn)安裝架。(2) 打開總電源，預(yù)熱磁氧分析儀，不少于3小時(shí)。(3) 打開電腦，點(diǎn)擊界面“設(shè)備清零”，進(jìn)行設(shè)備清零。把溫度調(diào)到預(yù)定的溫度（對應(yīng)的輻射強(qiáng)度）下，注意溫升不能過快，輻射錐加熱每200設(shè)定一次溫度。(4) 空載情況下，采集基線數(shù)據(jù)。(5) 點(diǎn)擊界面“開始實(shí)驗(yàn)”，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，測定材料的

8、熱釋放速率、點(diǎn)燃時(shí)間（將樣品放入樣品夾持器后，打開電子點(diǎn)火器點(diǎn)火。從電子點(diǎn)火器開始打火并沖擊板材表面進(jìn)行加熱時(shí)起到板材表面著火后堅(jiān)持4 s不熄滅的這段時(shí)間）、質(zhì)量損失速率等特性參數(shù)。(6) 當(dāng)氧濃度不再降低的時(shí)候，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。(7) 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存盤保存。(8) 通過煙密度分析儀測定材料燃燒過程的煙氣組分、煙氣密度等。4 實(shí)驗(yàn)記錄、數(shù)據(jù)與結(jié)果處理(1) 用表格列出各熱輻射強(qiáng)度條件下，材料的平均熱釋放速率、熱釋放速率峰值和點(diǎn)燃時(shí)間；分析材料的熱釋放速率峰值、平均熱釋放速率與熱輻射強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出各熱輻射強(qiáng)度條件下，各材料試件的熱釋放速率圖，并運(yùn)用所學(xué)的知識在理論上加以解釋說明。(3) 作出各材料試件平均熱釋放速率與熱輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。(4) 記錄各種材料燃燒產(chǎn)生煙氣測量參數(shù)，并